CO2水平管外池沸騰換熱的實驗研究

劉圣春 李蘭 寧靜紅 劉江彬

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

CO2水平管外池沸騰換熱的實驗研究

劉圣春 李蘭 寧靜紅 劉江彬

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

對自然工質CO2在不同沸騰壓力下的光管、機械加工表面強化管(Turbo-EHP)水平單管管外電加熱池沸騰進行了實驗研究。從核態沸騰的角度分析了光管、強化管管外沸騰換熱系數隨熱流密度、沸騰壓力的變化規律，通過對熱流密度在10～50 kW/m2、蒸發壓力在2～4 MPa范圍內的換熱數據分析擬合得出光管時CO2在該范圍下的換熱關聯式，擬合關聯式的計算值和實驗值的誤差在±8.73%以內。新的擬合關聯式的計算值與已有關聯式的預測值的偏差在±15%之內。在熱流密度范圍內強化管的強化倍率在1.50～1.72之間。研究結果對進一步深入研究CO2池沸騰換熱及蒸發器的設計具有指導意義。

CO2；池沸騰；傳熱系數；強化傳熱

CO2由于其蒸發壓力高(2.0～6.0 MPa)及容積換熱量大，更適于小管徑的換熱器。但是CO2在管內流動時，容易發生干涸現象，導致換熱效果惡化[1－2]。mKatsuta等[3]與丁睿等[4]通過研究得出，制冷劑中存在潤滑油，會對小管徑的沸騰換熱產生重大影響，使得換熱系數劇烈下降。而對于滿液式蒸發器，換熱壁面浸泡在制冷劑中，不會出現干涸現象；同時，CO2表面張力小，在相同蒸發溫度下，更容易發生沸騰，所以CO2池沸騰換熱系數明顯增大。蒸發強化換熱管是滿液式換熱器的一種重要管型。在一定熱流密度范圍內，其換熱效果可達普通換熱管的幾倍。19世紀50年代以后，蒸發強化換熱管的研究受到了廣泛關注，對沸騰換熱的研究獲得了一系列重要的成果[5－8]。目前，沸騰換熱的機理開始進行了新的研究，主要是換熱系數與壓力和熱流密度的關系，通過實驗數據確定管內外換熱關聯式，強化換熱管與普通光管之間的性能比較等方面的研究[9－11]。國外研究學者Dieter G等[12]對CO2池沸騰換熱進行了理論和實驗研究，并進行了簡單的可視化觀察；文獻[13]指出在相同壓力、熱流密度和相似粗糙度條件下，壁面材料對CO2池沸騰傳熱系數的影響。Kotthoff S 等[14]的實驗結果考慮熱流密度、對比壓力、表面粗糙度等的影響，擬合出熱流范圍為泡點形成至100 kW/ m2，蒸發壓力在2～4.5 MPa范圍內的換熱關聯式。Ribatski S J[15]對R134a和R123進行了池沸騰換熱實驗，研究了壁體材料和表面粗糙度對核態池沸騰換熱的影響，并在Cooper公式[16]基礎上提出了一種修正后的換熱關聯式。

分析眾多研究者的研究內容，對于換熱關聯式都力求多個參數擬合，對于其工程應用，尚有局限。本研究對CO2在光管、機械加工強化管水平單管管外電加熱池沸騰進行了實驗研究，分析不同壓力下，換熱系數隨熱流密度及沸騰壓力的變化規律，提出了簡化的CO2池沸騰換熱關聯式，并比較了強化管的強化倍率，對進一步研究CO2池沸騰換熱及其工程應用具有指導意義。

1 實驗系統

1·1 CO2電加熱池沸騰實驗裝置

本文在原有的CO2跨臨界循環實驗臺基礎上，添加了電加熱池沸騰換熱實驗段，組成CO2電加熱池沸騰實驗裝置。實驗系統原理圖如圖1所示。本實驗采用的是傳統有回熱的CO2制冷循環。工作過程為:壓縮機排出的高溫高壓的CO2氣體首先進入油分離器，分離出壓縮機排氣中攜帶的潤滑油后，進入氣體冷卻器，與冷卻水換熱后進入回熱器與來自出集液器的低溫低壓的CO2氣體進行換熱，經過節流閥，進入電加熱池沸騰實驗段，吸收電加熱的熱量進入集液器，再進入回熱器，最后進入壓縮機，完成一個循環。

圖1 實驗系統圖Fig·1 SchematiCdiagramof experimental apparatus

CO2電加熱池沸騰換熱實驗管段示意圖如圖2所示，電加熱池沸騰實驗段的電加熱管由兩根管擠壓而成，內管為電加熱棒，外管為實驗管，兩者之間加入焊錫。電加熱池沸騰實驗段的外管為Φ89 mm×10 mm的不銹鋼管。CO2流體在實驗管和外管間的環形空間流動，實驗管浸沒在制冷劑中，故稱池沸騰。為了便于更換實驗管，兩端采用法蘭連接。為了觀察CO2池沸騰換熱特性，在不銹鋼管外管中間安裝有一對視鏡，分別為采光視鏡和觀察視鏡。兩者呈90°放置。

圖2 實驗管段示意圖Fig·2 Detail of test section

電加熱池沸騰換熱實驗段的參數測量裝置主要包括溫度測量，壓力測量，流量測量和電加熱功率測量裝置。實驗用的熱電偶和壓力傳感器在使用前已經過標定。溫度校準設備精度范圍為±0.1℃。壓力傳感器采用多功能校驗儀進行標定，內置INT160壓力模塊，量程為0～16 MPa，分辨率為0.0001；精度為0.005%FS＋0.0125%RDG。

實驗管件為光管和某公司提供的機械加工表面強化管Turbo-EHP，實驗光管的有效長度為1.2 m，直徑為22 mm，機械加工強化管的尺寸參數如表1所示，有效長度為1.2 m。實驗用光管和強化管的實物圖如圖3、圖4所示。

表1 強化管尺寸參數表Tab·1 Geometry parameters of enhanced tube

圖3 實驗光管實物圖Fig·3 Physical figure of smooth tube

圖4 強化換熱管實物圖Fig·4 Physical figure of enhanced tube

1·2 CO2電加熱池沸騰溫度測量裝置

為了計算傳熱溫差，池沸騰換熱需要測量管外CO2飽和液體的溫度及電加熱管外壁面溫度。為了準確測量CO2飽和液體的溫度，電加熱池沸騰實驗段共有12個測溫點，熱電偶的末端放置于內管和外管環形空間的中間位置，取12個測溫點的平均值作為CO2液體的飽和溫度。通過擠壓在電加熱棒和電加熱外管間的K型熱電偶可測量電加熱內管的溫度。外管12個熱電偶通過高壓流體密封裝置解決密封要求。密封裝置原理圖如圖5所示。

圖5 密封裝置原理圖Fig·5 SchematiCdiagramof sealing device

2 數據處理及分析

2·1 數據處理

1)電加熱池沸騰實驗段換熱量計算

電加熱池沸騰實驗管段及管路外面均包裹保溫材料，實驗過程中忽略與外界空氣的熱交換，認為電加熱管的加熱功率等于制冷劑的吸熱量。電加熱光管和強化管的內部電阻值均為12Ω，則電加熱管的功率為:

2)電加熱池沸騰實驗段熱流密度的計算在穩定工況下，電加熱管的熱流密度為:

3)電加熱管外壁面溫度計算

要將熱電偶的測量溫度轉化成電加熱管的外壁面溫度，換算方法依據為圓筒壁的導熱公式:

4)CO2飽和液體溫度的計算

CO2飽和液體溫度采用文獻[17]提出的方法進行采集。通過沿電加熱管軸向布置的12溫度測點獲得，取12個測點的平均值作為CO2飽和液體的溫度:

5)CO2沸騰換熱系數的計算

每一個工況在穩定后測量，共測十組數據，以平均值作為該工況的數據，對于所測定的壓力工況，通過調節節流閥及氣體冷卻器冷卻水的流量來實現。

2·2 數據分析及討論

1)擬合換熱關聯式計算值和實驗值的對比分析

圖6表示光管情況下，CO2在 2.6 MPa、2.9 MPa、3.2 MPa、3.6 MPa四個蒸發壓力下，沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化關系。從圖6中可以看出:隨著熱流密度增加，在四個蒸發壓力下沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化趨勢基本一致。隨著熱流密度的增加，沸騰傳熱溫差逐漸增大。在同一熱流密度條件下，蒸發壓力越高，沸騰傳熱溫差越小。

圖6 不同蒸發壓力下CO2沸騰溫差隨熱流密度的變化關系Fig·6 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressure

圖7為CO2池沸騰換熱系數隨熱流密度的變化關系。從圖7中可以看出CO2的沸騰換熱系數隨著熱流密度增加而增加。熱流密度增加使壁面過熱度增大，會產生更多的氣化核心，相應產生的氣泡數目增多，換熱系數增大。從圖7可以看出相同熱流密度條件下，蒸發壓力越高，沸騰換熱系數越大，沸騰換熱系數與熱流密度符合h∝qn的關系，本文在實驗數據的基礎上擬合出 CO2在蒸發壓力的范圍為2～4 MPa、熱流密度為10～50 kW/m2的換熱關聯式:

式(6)中:h為換熱系數，W/(m2·K)；q為熱流密度，W/m2；p?為對比壓力。公式擬合過程中采用的數據是CO2的實驗數據，在關聯式簡化過程中簡化了CO2物性對池沸騰換熱的影響，抓住了對池沸騰換熱有重要影響的熱流密度、壓力。

圖7 不同蒸發壓力下CO2沸騰換熱系數隨熱流密度的變化關系Fig·7 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressure

圖8 蒸發壓力為2·6 MPa,3·2 MPa下擬合關聯式計算值與實驗數值的比較Fig·8 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·6 MPa and 3·2 MPa

圖8和圖9為四組不同蒸發壓力下實驗數值與擬合換熱關聯式計算值的比較，從圖中可以看出，擬合關聯式很好的反映了給定蒸發壓力下的實驗數據的變化趨勢，擬合關聯式的計算值和實驗值的誤差在±8.73%以內，擬合公式能夠較好的反映CO2在實驗范圍內的換熱規律。

圖9 蒸發壓力為2·9 MPa,3·6 mPa下擬合關聯式計算值與實驗數值的比較Fig·9 Comparison between fitting correlation values and experimental values under the evaporating pressure 2·9 MPa and 3·6 MPa

3)CO2在水平光管和強化管管外沸騰換熱實驗研究分析

2)擬合換熱關聯式和已有關聯式的對比分析

圖10與圖11分別表示壓力為3.2 MPa和3.6 MPa時，CO2換熱系數隨熱流密度的變化情形。可以看出CO2新的擬合公式值與各關聯式的預測值符合的較好。在高熱流密度下，新的擬合公式值比葉天震[18]的實驗擬合值換熱系數高，因為擬合公式所選取的數據是采用電加熱恒熱流池沸騰實驗方法，而后者的實驗擬合公式數據是選取的流動沸騰換熱實驗方法，后者的沸騰情況比較難控制，很難達到完全的滿液沸騰。可以看出，不同的壓力下，熱流密度對池沸騰換熱的影響程度不同。在較高壓力下(3.6 MPa)，熱流密度對沸騰換熱的影響比低壓力下(3.2 MPa)小。CO2新的擬合公式值與Cooper預測值的偏差在±15%之內，與Ribatski關聯式預測值的偏差在±7%之內，與葉實驗關聯式預測值的偏差在±9%之內。比較結果表明新的擬合公式計算值與關聯式的預測值的偏差在±15%之內。計算結果與已有的關聯式間存在偏差，但是簡化了公式的形式，具有一定的通用性。

圖10 壓力為3·2 MPa時關聯式之間的誤差分析Fig·10 Error analysis between correlations under pressure 3·2 MPa

圖11 壓力為3·6 MPa時關聯式之間的誤差分析Fig·11 Error analysis between correlations under pressure 3·6 MPa

圖12表示CO2在2.6 MPa、3.2 MPa兩個蒸發壓力下，沸騰傳熱溫差隨著熱流密度的變化關系。由圖可知，強化管的沸騰傳熱溫差明顯小于光管所需的傳熱溫差。強化管的表面與光管表面相比，增加了大量的氣化核心，能吸附一定量的蒸氣，因此可以明顯降低產生氣泡所需的沸騰傳熱溫差。較低的沸騰傳熱溫差意味著在同樣溫度下，可提高蒸發溫度，這有利于提高制冷系統的效率。

圖12 不同蒸發壓力下CO2沸騰溫差隨熱流密度的變化關系Fig·12 CO2boiling temperature difference versus heat flux under different evaporation pressures

圖13為蒸發壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時，CO2在光管和強化管外沸騰換熱特性的對比。從圖中可知，在同一壓力下，CO2在強化管外的沸騰換熱效果明顯強于光管。這主要是由于強化管外特殊的表面結構有利于氣化核心的形成和保持，并能促進氣泡的脫離。雖然光管和強化管的沸騰換熱系數都隨熱流密度的增加而增加，但在同樣的壓力下，熱流密度對強化管沸騰的影響要大于對光管的影響。根據實驗結果，在蒸發壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時，在實驗熱流密度范圍內，強化倍率為1.50～1.72。

圖13 不同蒸發壓力下CO2沸騰換熱系數隨熱流密度的變化關系Fig·13 CO2boiling heat transfer coefficient versus heat flux under different evaporation pressures

3 結論

本文對CO2池沸騰換熱進行了實驗研究。通過對實驗數據的分析和處理，得出CO2水平光管和強化管池沸騰換熱過程中換熱系數與熱流密度和蒸發壓力的關系，得到如下結論:

1)通過對大熱流密度下的光管換熱分析，得出CO2在熱流密度范圍為10～50 kW/m2，蒸發壓力在2～4 MPa范圍內的換熱關聯式。擬合關聯式很好的反映了給定蒸發壓力下的實驗數據的變化趨勢，計算值和實驗值的誤差在±8.73%以內。

2)通過新的公式擬合值和其他關聯式的計算預測值進行對比，發現CO2新的擬合公式值與各關聯式的預測值符合的較好，具有一定的通用性。

3)對CO2在水平光管和強化管外池沸騰換熱的研究結果表明，在不同沸騰壓力下，強化管中熱流密度對沸騰換熱的影響大于光管。強化管沸騰所需的壁面過熱度低于光管，在蒸發壓力為2.6 MPa和3.2 MPa時，在實驗熱流密度范圍內，強化倍率為1.50～1.72。

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About the corresponding author

Liu Shengchun，male，associate professor，Tianjin University of Commerce，＋86 13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn. Research fields:energy saving for refrigeration system，natural refrigeration substitution.

Experimental Research on CO2Pool Boiling Heat Transfer outside Horizontal Tube

Liu Shengchun Li Lan Ning Jinghong Liu Jiangbin

(Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin，300134，China)

The pool boiling heat transfer of natural refrigerant CO2outside single horizontal tube is investigated experimentally under different boiling pressure.Smooth tube and enhanced tube(Turbo-EHP)are taken as the single horizontal tube with electrical heating.The relationshiPof boiling heat transfer coefficient along with the heat flux and the boiling pressure is analyzed，and the heat transfer correlation of smooth tube under heat flux of10～50 kW/m2and boiling pressure of2～4 MPa is obtained.Themaximumerror is 8.73%when the experimental values are compared with fitting formula.Compared with other existing heat transfer correlations，the new fitting formula of CO2ismatching verywell，and themaximumerror is15%.In the range ofexperimental heat flux and boiling pressure，the overallheat transfer coefficients of the enhanced tube are higher than that of the smooth tube，and its enhancement factors varies from1.50 to 1.72. This papermakes useful exploration of CO2pool boiling heat transfer and will benefit the design of evaporator.

CO2；pool boiling；coefficient of heat transfer；heat transfer enhancement

TB61＋1；TK124

A

0253－4339(2015)02－0034－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.034

簡介

劉圣春，男，副教授，天津商業大學，13920682426，E-mail:liushch＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系統節能及自然工質替代研究。

國家自然科學基金(51006073)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51006073).)

2014年7月8日